Betere antennes door een minuscule wijziging in materiaalsamenstelling

Een paar atomen vervangen kan voldoende zijn om het gedrag van een materiaal ingrijpend te veranderen. Onderzoekers van Queen Mary University of London hebben dat principe gebruikt om een materiaal te creëren waarmee de werkfrequentie van antennes en microgolfcomponenten tijdens gebruik kan worden aangepast.

De onderzoekers richtten zich op een gelaagd keramisch materiaal op basis van strontium en tantaal. Daarin vervingen ze een deel van de strontiumatomen door calcium. Calciumatomen zijn iets kleiner, waardoor lokaal kleine vervormingen in het kristalrooster ontstaan. Juist die minuscule vervormingen blijken grote gevolgen te hebben voor de elektrische eigenschappen van het materiaal.

Door doelbewust mechanische spanning op atomaire schaal in het kristal te introduceren, ontstaan zogenoemde polar nanoclusters. Die reageren op een aangelegd elektrisch veld. Daardoor kunnen de elektrische eigenschappen van het materiaal tijdens gebruik worden veranderd. Een belangrijke uitdaging daarbij is dat materialen waarvan de eigenschappen sterk met een elektrisch veld kunnen worden veranderd, vaak ook relatief hoge verliezen vertonen. Dat is juist bij microgolf- en radiofrequentietoepassingen ongewenst.

Acht procent calcium

De beste resultaten werden bereikt toen ongeveer 8 procent calcium in het materiaal werd verwerkt. Volgens de onderzoekers ontstaat daarbij een combinatie van geringe verliezen en stabiele prestaties over een breed frequentiegebied. Het onderzoek bleef niet beperkt tot metingen aan materiaalmonsters. Het team verwerkte het aangepaste keramiek ook in prototypes van antennes en microgolfcomponenten. Daarbij konden de onderzoekers de werkfrequentie veranderen met behulp van een elektrische spanning of door de temperatuur aan te passen. Dat laat zien dat het materiaal daadwerkelijk gebruikt kan worden als regelbaar onderdeel van een hoogfrequent systeem.

Zo’n eigenschap kan bijvoorbeeld interessant zijn voor een antenne die verschillende frequentiebanden moet gebruiken. Normaal gesproken zijn daarvoor meerdere antennes, schakelaars of andere elektronische componenten nodig. Een materiaal waarvan de elektrische eigenschappen zelf aangepast kunnen worden, biedt een andere route.

Een bijkomend voordeel is dat het onderzochte keramiek loodvrij is. Veel materialen met sterk afstembare diëlektrische eigenschappen zijn gebaseerd op ferro-elektrische verbindingen die vanuit milieu- of productieoogpunt minder aantrekkelijk kunnen zijn.